空心玻璃微珠填充硅橡胶材料的性能研究

王恒芝　张鹏　刘梅　孙全吉　吴娜　范召东

摘要：在硅橡胶中添加空心玻璃微珠，研究了空心微珠的规格、用量等对加成型硅橡胶材料性能和加工性能的影响。为了获得较佳的综合性能，应当选用密度大、粒径小的空心玻璃微珠与硅橡胶配合，也可选用密度和粒径都小的空心玻璃微珠，但须适当降低微珠用量。

关键词：空心玻璃微珠；加成型硅橡胶；材料性能；加工性能

中图分类号：TQ333.93 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2013）07-0044-03

1 前言

硅橡胶硫化后是典型的弹性体。对于要求进行精细机械后加工的硅橡胶制件，若弹性过大，当刀具接触硅橡胶时，硅橡胶会因弹性而变形，严重影响机械加工的效果和精度。在硅橡胶中填充适量的空心玻璃微珠，可降低硅橡胶的弹性，达到改善硅橡胶机械加工性能的目的。

空心玻璃微珠是一种高强度、高硬度、惰性的中空球形颗粒，主要成分为SiO2和Al2O3。与现在广泛应用的传统填料相比，它具有质轻、绝热、隔音、高分散、耐高低温、耐腐蚀、压缩强度高、电绝缘性和热稳定性好等优点。目前，将其用于聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、有机硅树脂等的改性研究已有报道[1～6]，而在硅橡胶中填充空心玻璃微珠的研究较少。

本文将空心玻璃微珠填充于硅橡胶中，考查了空心玻璃微珠规格、用量对硅橡胶性能的影响，以期获得综合性能较佳的硅橡胶材料。

2 实验部分

2.1 原材料、试剂和设备

HM322室温硫化硅橡胶及其硫化剂，自制；玻璃微珠、六甲基二硅氧烷，工业级，市售。

平板压机，自制；旋转处理器，自制；高温试验箱，WG4501，重庆银河试验仪器有限公司；厚度计，CH-1，长沙仪表机床厂；邵氏橡胶硬度计，LX-A，上海六菱仪器厂；流淌性试验仪，自制；电子拉力试验机，T2000E，北京市友深电子仪器厂；电子天平，PB8001-S/A，瑞士；数控立车，美国。

2.2 试片的制备

将玻璃微珠与六甲基二硅氧烷按质量比20∶1加入旋转处理器，室温下旋转处理1 h，再于135 ℃旋转处理4 h， 冷却后将物料倒入搪瓷盘中，于135 ℃加热4～6 h，冷却备用。

将处理过的玻璃微珠与加成型硅橡胶及其硫化剂按10∶100∶10的质量比混合均匀并真空抽出气泡，在平板压机上硫化制成标准试片，然后进行性能测试。

2.3 性能测试

（1）密度：按GB/T 533测定。

（2）邵尔A硬度：按GB/T 531.1测定。

（3）拉伸性能：拉伸性能试片按HB 5246制备，拉伸性能按GB/T 528测定。

（4）流淌性：按照HB 5243—1996测定。

（5）玻璃微珠密度：将玻璃微珠与加成型硅橡胶及其硫化剂按10∶100∶10的质量比混合均匀并真空抽出气泡，压制方形试样，硫化后称量试样质量m1，计算试样体积v1。依上方法只用加成型硅橡胶及其硫化剂按100∶10的配比制备试样，称量试样质量m2，计算试样体积v2。分别按式（1）计算密度。

密度=m1×m2/（12×m2×v1-11×m1×v2） （1）

3 结果与讨论

3.1 玻璃微珠规格与密度测算

市售的玻璃微珠通常标注其堆砌密度，但堆砌密度不能反应其在硅橡胶中分散效果，所以选择了几种市售的玻璃微珠，对其密度进行了测算。

空心微珠壁厚对其密度影响较大，空心微珠A～D密度递增的主要原因是壁厚/半径比递增。

3.2 玻璃微珠规格对性能的影响

3.2.1 玻璃微珠规格对材料性能的影响

将处理过的玻璃微珠与硅橡胶及其硫化剂按10∶100∶10的质量比在容器中混合均匀制片，按对应的标准方法测试材料性能，见表2。

材料的密度和硬度主要受微珠的密度影响。按固定质量比添加空心微珠时，随着微珠密度提高，材料的密度提高，硬度降低。

材料的力学性能主要受微珠的粒度范围影响。随着微珠粒径增大，材料的力学性能下降。这是因为在同样的表面处理条件下，微珠粒度越小，比表面积越大，与硅橡胶的相容性也就越好。

3.2.2 玻璃微珠规格对加工性能的影响

将处理过的玻璃微珠与加成型硅橡胶及其硫化剂按10∶100∶10的质量比在容器中混合均匀，混合料填入流淌性试验仪圆穴后刮平，竖立流淌仪，将柱塞推至极限位置，计时1 min，记录混合料流淌最远距离/mm，见表3。

按固定质量比添加空心微珠时，空心微珠密度越低，对流动性的负面影响越大。对于灌封工艺而言，添加密度大的空心微珠是比较理想的。

未添加微珠的加成型硅橡胶弹性较大，在刚开始进刀时出现“让刀”情况，不下屑，在“让刀”到达硅橡胶弹性极限时，原本“让”过去的硅橡胶一次性被切削下去，容易在加工面切出凹坑。

将处理过的玻璃微珠与加成型硅橡胶及其硫化剂按10∶100∶10的质量比在容器中混合均匀灌注内径约1 m的模拟试验环，固定在数控车床上，控制车床转速30 r/min，用带涂层刀片车削，进刀量0.1 mm/r。

切削试验表明，添加空心玻璃微珠的硅橡胶加工面状态和尺寸准确度明显优于未添加微珠的，加工面平整，加工尺寸规范。空心玻璃微珠的加入使加成型硅橡胶弹性减弱，刚性提高，避免了“让刀”和凹坑。此外，微珠粒径越小，材料加工面越光滑，粒径大则略带颗粒感。

3.3 玻璃微珠用量对性能的影响

经推算，当空心微珠A质量分数为2.7%，空心微珠C的质量分数为8%时，材料中玻璃微珠的体积分数均约为13%。玻璃微珠添加量及种类对材料性能的影响见表4。

由表4可以看出，降低空心微珠的质量分数，材料密度提高，硬度降低，力学性能提高。不同种类玻璃微珠所占的体积分数相同时，材料硬度和力学性能差别不大，材料密度仍随微珠的密度增大而提高。

玻璃微珠在硅橡胶中所占的体积分数越大，混合料就越难流淌。体积分数相同的2种混合料流淌性略有差别，但差别不大，形成差别的原因在于2种混合料的密度略有不同，而密度大的更易流淌。

玻璃微珠在硅橡胶中必须达到一定的体积分数后，硅橡胶才能具备较好的加工性能。

4 结论

为能在保证流动性能、材料性能的前提下，改善硅橡胶的加工性能，宜选择密度大、粒径小的空心玻璃微珠与硅橡胶按相应质量比配合使用；也可选择密度和粒径都小的空心玻璃微珠，但须适当降低微珠的用量。

参考文献

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[2]刘元俊，冯永强，贺传兰，等.玻璃微珠增强硬质聚氨酯泡沫塑料的压缩性能及热稳定性[J].复合材料学报，2006，23（2）：65-70.

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